信号完整性在电磁兼容测试中的应用

史锁兰

（工业和信息化部电信研究院泰尔终端实验室，北京 100191）

信号完整性在电磁兼容测试中的应用

史锁兰

（工业和信息化部电信研究院泰尔终端实验室，北京 100191）

传输环境的阻抗不匹配可导致传输信号反射，降低信号的传输质量，引起信号完整性问题。为此，通过电磁兼容测试实例来分析信号完整性在电磁兼容测试中的重要性，提出新的测试方法。

信号完整性；电磁兼容；时域反射；时域门；阻抗匹配

1 信号完整性简介

从广义上讲，信号完整性指的是在高速产品中由互连线引起的所有问题。它主要研究互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时其电气特性参数如何影响产品的性能。我们听到过的比如振铃、反射、近端串扰、开关噪声、衰减、容性负载等都属于信号完整性的噪声问题［1］。所有与信号完整性噪声问题有关的效应都与以下特定噪声源中的一个有关：

1）单一网络的信号完整性：在信号路径或返回路径上由于阻抗突变而引起的反射与失真；

2）两个或多个网络间的串扰：和理想回路与非理想回路耦合的耦合电容、分布电容、互电感；

3）电源和地分配中的轨道塌陷：在电源／地网络中的阻抗压降；

4）来自整个系统的电磁干扰和辐射。

随着数字系统工作频率和数据速率越来越高，信号完整性变得愈发重要。怎么保证信号最大限度地通过传输路径到达接收设备，使影响信号完整性的诸如阻抗匹配、负载、传输线效应甚至电源分配等因素减到最小，是信号完整性设计人员必须考虑的要素。

同样，在电磁兼容测试中，特别是搭建测试系统时，也必须考虑信号完整性问题。例如，抗扰度测试时，怎么能保证外加干扰信号能够最大限度地通过天线或者耦合设备施加到待测设备上，而不至于施加信号反射太大，影响信号发生设备的性能。

有文献提到， “信号完整性”一词适用于被测设备，而 “信号保真度”适用于测试设备，此解释可能比较绝对。本文以下实例中，G赫兹横电磁波传输室（GTEM，G Hertz Transverse Electromagnetic Wave Transmission Chamber）的时域反射 （TDR，Time Domain Reflection）测试目的是测试GTEM这一产品的 “信号完整性”；时域门方法测试归一化场地衰减 （NSA，Normalized Site Attenuation）与测试系统中使用固定衰减器的目的是改善测试方法与测试系统的 “信号完整性”问题，以提高测试系统的 “信号保真度”。

2 信号完整性应用实例

2.1 GTEM的TDR测试

2.1.1 GTEM功能简介

GTEM小室外形类似于一个倒放的金字塔，其顶端连接一个同轴接头，同轴接头的中心导体在小室的内部扩展为一直达底部的扇形金属板，称为芯板。芯板的终端采用分布式电阻匹配网络，形成无反射终端。小室内的底部还贴有吸波材料，用来对高频电磁波做进一步吸收。GTEM小室本质上是一段扩大的、终端接匹配负载的同轴传输线，其芯板和外壳可分别看作同轴线的内外导体。根据传输线理论，电磁场在同轴线内传播时，其主模是TEM（横电磁）波，因此小室芯板和地板之间传播的波为球面波，由于小室的张角很小，该球面波近似为平面波。GTEM小室结构图如图1所示。

GTEM小室主要用做抗扰度试验。由于其采用渐变结构，其上限工作频率可达到几GHz。GTEM小室也可用做辐射发射测试，测试时小室的芯板和底板代替暗室测试中的接收天线，接收EUT的辐射骚扰，小室的同轴接头则作为骚扰信号的输出端。在暗室测试时，通过改变接收天线的极化方向来确定EUT的最大辐射，而GTEM小室芯板和底板的位置在测试中不能改变，因此通过改变EUT的摆放位置来改变其辐射电磁的极化方向，从而确定EUT的最大辐射。一般要求EUT在测试过程中沿三个正交的取向 （x，y，z轴）摆放，GTEM小室内通常带有一特殊的旋转系统满足这一要求。需要注意的是，GTEM小室的测试结果并不能直接等同于开阔场或半电波暗室的测试结果，还需要通过一定的数字模型进行修正［2］。

图1 GTEM小室结构

图2 水平极化场地衰减测试布置图

2.1.2 TDR测试原理

TDR是指传输线输入一个快上升沿的阶跃脉冲信号，当传输线上出现阻抗不连续的现象时，在阻抗变化的地方阶跃信号就会产生反射的现象，根据反射回波的时间和信号幅度，可以判断阻抗不连续点距接收端的距离及相应点的阻抗变化大小。

当用人手或者其他金属物质接触GTEM内部传导隔板的不同位置，TDR波形就会在相应位置出现大的变化，表现出阻抗不连续的现象。

用网络分析仪测得的TDR值是归一化阻值。例如，将50Ω电阻归一化后为1Ω，转化成dB值即为0，所以理想情况下，TDR值为0。若GTEM的TDR性能指标为－10 mdBΩ≤TDR≤10 mdBΩ，转化为实际芯板阻值，即整个芯板的特性阻抗要求为49.94Ω≤Z≤50.06Ω。这说明，为了提高GTEM的测试准确度，保证信号传输时的完整性，应使其内部传导隔板的特性阻抗无限接近于50Ω，达到阻抗匹配，那么测试TDR性能就是评估信号完整性的一种有效方法。

2.2 时域门方法测试归一化场地衰减

2.2.1 归一化场地衰减

NSA是衡量电波暗室能否作为合格的测试场地进行EMC测试的关键指标，CISPR16－1－4中详细规定了NSA的测试方法，测试系统布置图如图2、图3所示。

图3 垂直极化场地衰减测试布置图

在测试过程中，水平和垂直极化都应按照以下方法测试：①将连接收发天线的同轴电缆与天线分开，直接相连后，在接收电缆末端测得电压值Vdirect；②将电缆分别与发射天线和接收天线相连以后，发射天线高度固定，接收天线在1～4 m测试高度上寻找最大接收信号，在接收电缆末端测得最大接收电压值Vsite。归一化场地衰减由式 （1）得出［3－4］：

式中：AFt与AFr分别是发射、接收天线的天线系数。

2.2.2 时域门测试方法

NSA测试的是发射天线发射的空间直射波和经过接地平面反射的发射波的矢量合成，但由于实验场地接地平板的大小、接缝、平坦度，四周墙体和天花板的反射，天线杆与接收天线的耦合以及实验场地的灯光、波导通风口等的影响，测量接收机接收到的并不仅仅是两者的矢量合成信号。为了更准确地进行测试，有些测试场地对NSA要求比较严格，如要求与理论值的最大偏差在±1dB以内，那么在NSA场地验证及实际测试中，需采用网络分析仪的时域门的方法，尽量将来自墙体和天花板的反射波隔离在时域门的外面，这样的测试结果更精确。但是，如果时域门设置太小的话，可能隔离掉经接地平面反射传输的信号，这样的测试是不准确的。所以，时域门测试中，门的大小的选择非常重要。

三米法测试NSA时，假设发射天线高度为1m，接收天线在1～4m高度上寻找最大接收信号，如图4所示。

图4 接收信号传输路径

发射天线到接收天线的空间直射波传播时间t1为

对于地面反射波，存在无数条反射路径，取反射波传输距离的极限值为

则地面反射波的传播时间t2满足如下公式：

式中：s1是直射波传输距离；s2是反射波传输距离；v是电磁波在真空中的传播波速。将网络分析仪的时域门设置为25 ns及以上，即可将直射波和反射波包含在门内，而经墙面和天花板的发射波则被部分隔离在时域门外。

但是，如果设置时域门很大的话，来自所有面的反射信号都包含在时域门内，导致测试结果与不加时域门时非常相近，那么时域门的测试方法将失去意义。值得注意的是，如果采用时域门的测试方法进行NSA场地验证，测试结果满足特定测试项目对场地的要求，如±1dB容限，那么在进行该特殊测试时也必须使用时域门的方法，否则测试结果是不正确的。

2.3 固定衰减器的阻抗匹配作用

2.3.1 固定衰减器工作原理

固定衰减器是由电阻元件组成的四端网络，一般以衰减的分贝数和特性阻抗的欧姆数来标明。它的特性阻抗、衰减都是与频率无关的常数，相移等于零。

常见的固定衰减器有L型、T型和π型等几种机构，其电路形式如图5、图6所示。

R1，R2，R3分别代表3个不同阻值的电阻。由于输入阻抗 （Zin）、输出阻抗 （Zout）以及衰减量 （A）为3个给定的数值，在图中的两个结构中分别有3个未知数，因此恰好有唯一解。

图5 T型结构

图6 π型结构

一般而言，衰减器的应用是宽频的，也就是：衰减器的设计及制作并不考虑在特定频带使用，因此，这里的阻抗值都仅为电阻值而没有电抗值。表1列出衰减器的输入阻抗、输出阻抗均为50Ω时，不同衰减量对应的组成电阻的大小。

表1 输入、输出阻抗均为50Ω时不同衰减量对应的组成电阻

2.3.2 固定衰减器的阻抗匹配作用

固定衰减器除了可以调整电路中的信号大小以外，合理应用固定衰减器还可以在阻抗敏感度比较高的设备 （如放大器、滤波器、天线）之间起到改善阻抗匹配的作用。若某些电路要求有一个比较稳定的负载阻抗时，则可在电路与实际负载阻抗之间插入一个固定衰减器，能够缓冲阻抗的变化。

尽管大多数射频器件标配为50Ω或75Ω的特性阻抗，但特性阻抗含有复杂的电抗分量，其在不同的相位条件下会发生大小的改变。理想情况下，当负载与源完好匹配时，源端输出的信号全部传输到负载，没有产生反射，反射系数为零。但是，在正常的工作条件下，总会有一部分信号会被反射回源端，当负载是开路或短路时，即传输信号全部反射回源端。

源与负载的匹配程度可由电压驻波比 （Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）来表示：

式中：Zload为负载阻抗；Z0为源阻抗。

在电磁兼容测试中，甚至是衰减量很小 （如1dB）的固定衰减器，也可用来减小阻抗失配，提高信号完整性。选择固定衰减器时，需考虑测试设备的灵敏度、最大允许输入电平，待测设备的种类等。如果待测设备是一个预放，其额定输出功率为＋27 dBm，但频谱仪的最大允许输入功率为＋25 dBm，则一个衰减量为5 dB或者更大的固定衰减器即可充分保护频谱仪并起到减小阻抗失配不确定度的作用。当然，还需考虑固定衰减器的衰减平坦度，保证所有测试频段固定衰减器的衰减量都能够起到保护频谱仪的作用。同时，在固定衰减器的选用问题上还应注意固定衰减器对频谱仪动态范围的影响。

采用固定衰减器起阻抗匹配作用的电磁兼容测试还包括：①NSA场地验证测试时，为了使信号源输出的信号通过发射天线最大发射，在发射天线馈线与天线输入端之间接一个10 dB的固定衰减器，以使场地测试结果更为精确。同理，在接收天线馈线与天线输出端也需接一个10 dB的固定衰减器。②传导和辐射抗扰度测试时，在加扰信号注入口和加扰天线输入口都需接一个固定衰减器，以使加扰信号最大输出，抗扰度测试更加准确、严酷。

同时，在电磁兼容的不确定度评定中，各设备间的阻抗失配分量是一个不可忽略的影响因素，需单独考虑并详细计算［5］。

3 结论

综上所述，信号完整性问题除在设计通信系统、视频系统和网络系统等高速系统过程中需要考虑外，在电磁兼容测试中同样起着举足轻重的作用。因此，搭建测试系统时，非常有必要从信号完整性的角度考虑待测信号的传输路径及完整捕获待测信号的方法，以提高测试结果的准确性。

［1］李玉山，李丽平.信号完整性分析 ［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［2］IEC 61000－4－20.Electromagnetic compatibility（EMC） －Part 4－20：Testing and measurement techniques－Emission and immunity testing in transverse electromagnetic（TEM）waveguides［S］.2010.

［3］王胜利，康有超，余世里，等.屏蔽暗室归一化场地衰减测试 ［J］.空间电子技术，1996（3）：59－63.

［4］CISPR16－1－4.Specification for radio disturbance and immunitymeasuring apparatus and methods－Part 1－4：Radio disturbance and immunitymeasuring apparatus－Antennas and test sites for radiated disturbancemeasurements［S］.2012.

［5］CISPR16－4－2.Specification for radio disturbance and immunitymeasuring apparatus and methods－Part 4－2：Uncertainties，statistics and limitmodelling－Uncertainty in EMCmeasurements［S］.2011.

TB97

B

1674－5795（2014）05－0062－03

10.11823／j.issn.1674－5795.2014.05.17

2014－06－16

史锁兰 （1987－），女，工程师，硕士，主要研究电磁兼容测量技术。